Composition of the volatile compounds from Aniba canelilla (H. B. K.) Mez. extracted by CO2 in the supercritical state

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mathematical modelling of supercritical CO2 extraction of volatile oils from aromatic plants

The modelling of the experimental data of the extraction of the volatile oil from six aromatic plants (coriander, fennel, savoury, winter savoury, cotton lavender and thyme) was performed using five mathematical models, based on differential mass balances. In all cases the extraction was internal diffusion controlled and the internal mass transfer coefficienty (k(s)) have been found to change with pressure, temperature and particle size. For fennel, savoury and cotton lavender, the external mass transfer and the equilibrium phase also influenced the second extraction period, since k(s) changed with the tested flow rates. In general, the axial dispersion coefficient could be neglected for the conditions studied, since Peclet numbers were high. On the other hand, the solute-matrix interaction had to be considered in order to ensure a satisfactory description of the experimental data.

Extraction of volatile oil from aromatic plants with supercritical carbon dioxide: experiments and modeling

An overview of the studies carried out in our laboratories on supercritical fluid extraction (SFE) of volatile oils from seven aromatic plants: pennyroyal (Mentha pulegium L.), fennel seeds (Foeniculum vulgare Mill.), coriander (Coriandrum sativum L.), savory (Satureja fruticosa Beguinot), winter savory (Satureja montana L.), cotton lavender (Santolina chamaecyparisus) and thyme (Thymus vulgaris), is presented. A flow apparatus with a 1 L extractor and two 0.27 L separators was built to perform studies at temperatures ranging from 298 to 353 K and pressures up to 30.0 MPa. The best compromise between yield and composition compared with hydrodistillation (HD) was achieved selecting the optimum experimental conditions of extraction and fractionation. The major differences between HD and SFE oils is the presence of a small percentage of cuticular waxes and the relative amount of thymoquinone, an oxygenated monoterpene with important biological properties, which is present in the oils from thyme and winter savory. On the other hand, the modeling of our data on supercritical extraction of volatile oil from pennyroyal is discussed using Sovova's models. These models have been applied successfully to the other volatile oil extractions. Furthermore, other experimental studies involving supercritical CO2 carried out in our laboratories are also mentioned.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

Ultra high performance supercritical fluid chromatography coupled with tandem mass spectrometry for screening of doping agents. II: Analysis of biological samples.

The potential and applicability of UHPSFC-MS/MS for anti-doping screening in urine samples were tested for the first time. For this purpose, a group of 110 doping agents with diverse physicochemical properties was analyzed using two separation techniques, namely UHPLC-MS/MS and UHPSFC-MS/MS in both ESI+ and ESI- modes. The two approaches were compared in terms of selectivity, sensitivity, linearity and matrix effects. As expected, very diverse retentions and selectivities were obtained in UHPLC and UHPSFC, proving a good complementarity of these analytical strategies. In both conditions, acceptable peak shapes and MS detection capabilities were obtained within 7min analysis time, enabling the application of these two methods for screening purposes. Method sensitivity was found comparable for 46% of tested compounds, while higher sensitivity was observed for 21% of tested compounds in UHPLC-MS/MS and for 32% in UHPSFC-MS/MS. The latter demonstrated a lower susceptibility to matrix effects, which were mostly observed as signal suppression. In the case of UHPLC-MS/MS, more serious matrix effects were observed, leading typically to signal enhancement and the matrix effect was also concentration dependent, i.e., more significant matrix effects occurred at the lowest concentrations.

Supercritical fluid extracts from the Brazilian cherry (Eugenia uniflora L.): Relationship between the extracted compounds and the characteristic flavour intensity of the fruit

Supercritical carbon dioxide (SC-CO(2)) extractions of Brazilian cherry (Eugenia uniflora L.) were carried out under varied conditions of pressure and temperature, according to a central composite 2(2) experimental design, in order to produce flavour-rich extracts. The composition of the extracts was evaluated by gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS). The abundance of the extracted compounds was then related to sensory analysis results, assisted by principal component and factorial discriminant analysis (PCA and FDA, respectively). The identified sesquiterpenes and ketones were found to strongly contribute to the characteristic flavour of the Brazilian cherry. The extracts also contained a variety of other volatile compounds, and part of the fruit wax contained long-chain hydrocarbons that according to multivariate analysis, contributed to the yield of the extracts, but not the flavour. Volatile phenolic compounds, to which antioxidant properties are attributed, were also present in the extracts in high proportion, regardless of the extraction conditions. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Response surface analysis of extract yield and flavour intensity of Brazilian cherry (Eugenia uniflora L.) obtained by supercritical carbon dioxide extraction

This work evaluated the effect of pressure and temperature on yield and characteristic flavour intensity of Brazilian cherry (Eugenia uniflora L) extracts obtained by supercritical CO(2) using response surface analysis, which is a simple and efficient method for first inquiries. A complete central composite 2(2) factorial experimental design was applied using temperature (ranging from 40 to 60 degrees C) and pressure (from 150 to 250 bar) as independent variables. A second order model proved to be predictive (p <= 0.05) for the extract yield as affected by pressure and temperature, with better results being achieved at the central point (200 bar and 50 degrees C). For the flavour intensity, a first order model proved to be predictive (p <= 0.05) showing the influence of temperature. Greater characteristic flavour intensity in extracts was obtained for relatively high temperature (> 50 degrees C), Therefore, as far as Brazilian cherry is concerned, optimum conditions for achieving higher extract yield do not necessarily coincide to those for obtaining richer flavour intensity. Industrial relevance: Supercritical fluid extraction (SFE) is an emerging clean technology through which one may obtain extracts free from organic solvents. Extract yields from natural products for applications in food, pharmaceutical and cosmetic industries have been widely disseminated in the literature. Accordingly, two lines of research have industrial relevance, namely, (i) operational optimization studies for high SFE yields and (ii) investigation on important properties extracts are expected to present (so as to define their prospective industrial application). Specifically, this work studied the optimization of SFE process to obtain extracts from a tropical fruit showing high intensity of its characteristic flavour, aiming at promoting its application in natural aroma enrichment of processed foods. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Supercritical CO(2) extraction of carotenoids from pitanga fruits (Eugenia uniflora L.)

Supercritical carbon dioxide (SC-CO(2)) extraction was employed to extract carotenoids from the freeze-dried pulp of pitanga fruits (Eugenia uniflora L.), an exotic fruit, rich in carotenoids and still little explored commercially. The SC-CO(2) extraction was carried out at two temperatures, 40 and 60 degrees C, and seven pressures, 100, 150, 200, 250, 300, 350 and 400 bar. The carotenoids were determined by high-performance liquid chromatography connected to photodiode array and mass spectrometry detectors. Lycopene, rubixanthin and P-cryptoxanthin were the main carotenoids present in the freeze-dried pitanga pulp, whereas beta-cryptoxanthin concentration was negligible in the SC-CO(2) extracts, for all the investigated state conditions. The maximum recovery of carotenoids was obtained at 60 degrees C and 250 bar, extracting 55% of the total carotenoid content, 74% of the rubixanthin and 78% of the lycopene from the pulp. Under these state conditions, the total carotenoid concentration in the extract was 5474 mu g/g, represented by 66% lycopene and 32% rubixanthin. The experimental state conditions produced different SC-CO(2) extracts with respect to the extraction yield and concentration of different carotenoids, indicating that the supercritical carbon dioxide was selective in the extraction of the pitanga carotenoids as a function of temperature and pressure. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

A new semi-empirical model for correlating the solubilities of solids in supercritical carbon dioxide with cosolvents

The equilibrium solubilities of the solids in supercritical carbon dioxide (SCCO(2)) are considerably enhanced in the presence of cosolvents. The solubilities of m-dinitrobenzene at 308 and 318 K over a pressure range of 9.5-14.5 MPa in the presence of 1.13-2.17 mol% methanol as cosolvent were determined. The average increase in the solubilities in the presence of methanol compared to that obtained in the absence of methanol was around 35%. A new semi-empirical equation in terms of temperature, pressure, density of SCCO(2) and cosolvent composition comprising of 7 adjustable parameters was developed. The proposed model was used to correlate the solubility of the solids in SCCO(2) for the 44 systems available in the literature along with current data. The average absolute relative deviation of the experimental data from the model equation was 3.58%, which is better than the existing models. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Extrações de óleos de sementes de citros e suas atividades sobre a formiga cortadeira Atta sexdens e seu fungo simbionte

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)